Приводной ремень
Изобретение относится к приводному ремню. Техническим результатом изобретения является повышение сопротивляемости появлению усталостных трещин при изгибе. Технический результат достигается приводным ремнем, включающим эластомерную основу ремня. Причем вышеупомянутая основа включает каучуковую композицию, содержащую до 20 масс. ч. иономерной полимерной добавки на 100 масс. ч. каучука. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 7 ил., 8 табл.
Уровень техники, к которой относится изобретение
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится, в общем, к применению иономеров (ионных полимеров) в каучуковых изделиях в динамических приложениях, более конкретно относится к приводному ремню, содержащему иономерную добавку в каучуковой композиции, и, в частности, к иономерам на основе сополимера полиэтилена и метакриловой кислоты и бутиловым иономерам в каучуковых ремнях и шлангах.
Описание предшествующего уровня техники
Иономеры представляют собой многофазные полимеры, которые содержат ионные группы на низком уровне (составляющем, как правило, менее чем 15 мол.%) на протяжении углеводородного скелета. Небольшие количества ионных функциональных групп, присоединенных к полимерам, имеющим низкую диэлектрическую проницаемость, таких как бутилкаучук (BUR), могут значительно влиять на свойства материала: поскольку неполярный скелет не может сольватировать ионные компоненты, происходит значительная агрегация ионных пар. Ионы ассоциируются посредством мультиплетов ионов, образуя сетки, которые могут проявлять динамические механические свойства, напоминая вулканизаты (ковалентно сшитые полимерные материалы). Мультиплеты представляют собой агрегаты нескольких ионных пар, которые собираются вместе под действием ионной ассоциации в неполярной полимерной среде. Это позволяет наполнителям, таким как технический углерод, взаимодействовать с ионными группами. Изучение литературы показало, что как подвергнутая ониевому ионному обмену монтмориллонитовая глина, так и осажденный диоксид кремния приводят к уменьшению агломерации наполнителя и к повышению степени армирования при добавлении в иономер (по сравнению с неионным основным полимером). Помимо того что они имеют иной тип связей (ионный, а не ковалентный), иономеры отличаются от вулканизатов тем, что иономеры проявляют характеристики ползучести; когда в иономерах создается значительное растяжение, ионы перемещаются в различные мультиплеты, вызывая ползучесть, в то время как ковалентные связи в вулканизатах необратимо разрываются, если они подвергаются достаточному растяжению.
В промышленных приложениях успешно используются иономеры многих типов, основой которых являются стирол, этилен, бутадиен, уретан или сульфоны. Эти приложения предусматривают использование иономеров в качестве мембран или тонких пленок, в топливных элементах, упаковках, покрытиях, в производстве удобрений, средств для натирания полов и связующих материалов. Придание ионной природы полимеру может значительно влиять на физические характеристики и существенно изменять температуру стеклования, модуль упругости, вязкость и оптические параметры. Кулоновские взаимодействия, обусловленные ионными группами, играют важную роль в определении таких свойств, как сопротивление разрыву, ударная вязкость, гибкость, прочность расплава, и в использовании иономеров в качестве добавок для цели улучшения смешиваемости.
Эффекты самостоятельного восстановления в полимерах и полимерных композитах стали предметом активных научно-исследовательских программ в течение ряда лет. В академической обзорной статье "Самостоятельное восстановление в полимерах и полимерных композитах. Концепции, осуществление и перспективы: обзор" (eXPRESS Polymer Letters, 2008 г., т. 2, № 4, с. 238-250, Y. C. Yuan и др.) сделали вывод, что достижения в данной области "далеки от удовлетворительных", и является весьма интересным изобретение полимеров, которые фактически самостоятельно восстанавливаются после трещин, в том числе при использовании индивидуально (в чистом виде) или в составе сложной восстановительной системы.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение предлагает композиции, системы и способы, которые обеспечивают улучшение характеристик сопротивления распространению трещин при изгибе каучуковых композиций для приводных ремней, шлангов или других каучуковых изделий, на которые воздействуют динамические силы.
Настоящее изобретение предлагает приводной ремень, или шланг, или другое динамическое изделие, имеющее эластомерную основу, которую составляет каучуковая композиция, содержащая иономерную полимерную добавку, такую как сополимер полиэтилена и метакриловой кислоты или бутиловый иономер. Каучуковая основа проявляет повышенное сопротивление распространению трещины по сравнению с основой, имеющей такой же состав, но не содержащей иономерной добавки. Иономерную добавку можно вводить в каучуковую композицию в концентрации, составляющей вплоть до 50 масс. ч. на 100 масс. ч. каучука. Настоящее изобретение также предлагает способ повышения сопротивления распространению трещины в каучуковой композиции для динамических изделий посредством введения иономерной добавки в каучуковую композицию.
Выше приведено достаточно общее описание характерных особенностей и технических преимуществ настоящего изобретения, чтобы можно было лучше понимать приведенное ниже подробное описание настоящего изобретения. Дополнительные отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения, которые будут описаны ниже, составляют предмет формулы настоящего изобретения. Специалисты в данной области техники должны понимать, что концепцию и конкретный описанный вариант осуществления можно легко использовать в качестве основы при модификации или разработке других конструкций для осуществления таких же целей настоящего изобретения. Специалисты в данной области техники должны также понимать, что такие эквивалентные конструкции не выходят за пределы объема настоящего изобретения, который определяет прилагаемая формула изобретения. Новые отличительные особенности, которые рассматриваются как характеристики настоящего изобретения, в том числе в отношении организации и способа его осуществления, а также дополнительные задачи и преимущества становятся более понятными из следующего описания при его рассмотрении в связи сопровождающими чертежами. Необходимо определенно понимать, однако, что каждый из данных чертежей приводится исключительно для иллюстративных и описательных целей и не предназначается в качестве определения объема настоящего изобретения.
Краткое описание чертежей
Сопровождающие чертежи, которые включены в настоящее описание и оставляют его часть и на которых аналогичные условные номера обозначают аналогичные детали, иллюстрируют варианты осуществления настоящего изобретения и вместе с описанием служат для разъяснения принципов настоящего изобретения. В числе данных чертежей:
фиг. 1 представляет перспективное изображение с разрезом части многоручьевого поликлинового ремня, изготовленного в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг. 2 представляет перспективное изображение с разрезом части поликлинового ремня, изготовленного в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг. 3 представляет перспективное изображение с разрезом части синхронного ремня, изготовленного в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;
фиг. 4 представляет график распространения трещины по методу Де Маттиа (DeMattia) при 120°C в примерах 1-5;
фиг. 5 представляет график распространения трещины по методу Де Маттиа при 80°C в примерах 6-10;
фиг. 6 представляет график распространения трещины по методу Де Маттиа при 100°C в примерах 6-10; и
фиг. 7 представляет перспективное изображение с разрезом части шланга, изготовленного в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание
Настоящее изобретение предлагает использование иономерных добавок в каучуковых композициях для улучшения сопротивления распространению трещины при изгибе динамических каучуковых изделий, таких как ремни. Считается, что механизм этого улучшения может принимать форму самостоятельного восстановления на основании разрыва и повторного образования ионных связей, ионных кластеров или ионных сшивок между полимерными цепями в композиции.
Термин "иономер" в настоящем документе означает полимер, содержащий ионные группы, которые могут ассоциироваться, образуя ионные домены или образуя ионные связи между полимерными цепями. Ионные связи могут включать водородные связи. Термины "иономерный полимер" и "иономер" используются в настоящем документе взаимозаменяемым образом. Термин "добавка" используется для описания материалов или ингредиентов каучуковой композиции, которые составляют менее чем 50% по отношению к суммарной массе каучуковой композиции, предпочтительно менее чем 100 масс. ч. на 100 масс. ч. каучука. Термин "каучук" означает материал, который способен быстро восстанавливать свою форму после значительной деформации и который практически не растворяется в кипящих растворителях (вследствие наличия ковалентных сшивок). С определениями других используемых терминов можно ознакомиться в стандарте ASTM D-1566, который включается в настоящий документ посредством данной ссылки.
Были подробно исследованы два варианта осуществления настоящего изобретения, в которых в качестве обеспечивающего самостоятельное восстановление ингредиента были использованы сополимер полиэтилена и метакриловой кислоты (EMAA) и бутиловый иономер соответственно.
В примерах согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения EMAA использовали в качестве добавки, вводимой в армированную волокнами композицию для ремней на основе сополимера полиэтилена, пропилена и диенового эластомера (EPDM). Метод Де Маттиа для исследования распространения трещин в каучуке использовали, чтобы наблюдать распространение трещин данного материала. Кроме того, исследовали влияние EMAA на статические и динамические механические свойства каучукового материала. В данном исследовании использовали изготовленный компанией DuPont EMAA двух типов, а именно сополимеры EMAA и частично нейтрализованного EMAA.
Nucrel® представляет собой торговое наименование термопластического статистического сополимера EMAA, продаваемого компанией DuPont. Сополимер Nucrel® 925 содержит 85 масс.% этилена и 15 масс.% метакриловой кислоты (MA), т. е. 5,4 мол.% групп MA, статистически распределенных на протяжении полимерных цепей. Nucrel® 925 имеет большую среднюю молекулярную массу, чем Surlyn® 8920. Nucrel® обычно используется как термопластический формовочный полимер или покровный полимер в таких приложениях, как обувь, оболочки проводов и кабелей, покрытие металлов и покрытие стекла. По своей природе он является упругим и гибким, имеет низкую плотность и легко окрашивается. Полимер Nucrel® был получен в гранулированной форме от компании DuPont.
Surlyn® представляет собой торговое наименование термопластического статистического иономера EMAA, продаваемого компанией DuPont. Это частично нейтрализованный вариант полимера Nucrel®. Surlyn® 8920, используемый в ходе настоящего исследования, содержит 5,4 мол.% групп MA, но 60% его групп MA нейтрализованы катионами натрия. Полимер Surlyn® 8920 вводится в композиции, чтобы обеспечивать превосходную прозрачность, жесткость и устойчивость к истиранию. Surlyn® 8920 обычно используется для изготовления различных изделий, включая покрытия шариков для гольфа, хоккейных шлемов и лыжных ботинок. Полимер Surlyn® 8920 был получен в гранулированной форме от компании DuPont. Компания DuPont описывает иономерные полимеры Surlyn® как высокопрочные полиэтиленовые сополимеры, содержащие кислотные группы, частично нейтрализованные с использованием солей металлов, таких как цинк, натрий, магний, литий и другие. Ионные взаимодействия делают его прочным и термопластическим, придавая улучшенные физические свойства по сравнению с традиционными пластмассами. Согласно сообщениям компании DuPont, в процессе изготовления Surlyn® обеспечиваются заданные сочетания свойств, таких как эластичность, твердость и жесткость, а также сопротивление разрезам и истиранию, причем все эти свойства являются в высокой степени желательными в случае шариков для гольфа.
Таблица 1 представляет первый ряд составов композиций, которые были использованы в данном исследовании. Сравнительный пример 1 представляет армированную волокнами композицию EPDM для изготовления приводного ремня, которая используется здесь в качестве контрольного образца. Добавки Nucrel® 925 и Surlyn® 8920 составляли соответственно 4 масс. ч. на 100 масс. ч. каучука и 8 масс. ч. на 100 масс. ч. каучука в примерах 2-5 соответственно. Термин "масс. ч. на 100 масс. ч. каучука" означает концентрацию добавки в каучуковой композиции, выраженную в массовых частях на сто массовых частей основного эластомера.
Таблица 2 представляет свойства композиций, описанных в таблице 1 и используемых в данном исследовании. Вязкость по Муни (Mooney, MV) и продолжительность преждевременной вулканизации (t5) исследовали при 121°C в течение 30 минут согласно стандарту ASTM D1646. Вязкость по Муни увеличивалась приблизительно на 20 пунктов при добавлении EMAA. Это может быть обусловлено высокой молекулярной массой Nucrel и сильным иономерным взаимодействием Surlyn. При температуре исследования (121°C) все образцы показывали продолжительность преждевременной вулканизации (t5), составляющую приблизительно 30 минут. Таким образом, EMAA не производит неблагоприятного воздействия на сопротивление преждевременной вулканизации. Характеристики вулканизации исследовали, используя вискозиметр с подвижным пуансоном (MDR) при 177°C в течение 30 минут согласно стандарту ASTM D5289. Продолжительность преждевременной вулканизации, обозначенная Ts2, также не показала никакого изменения, в то время как вязкость ML увеличивалась при добавлении EMAA. Скорость вулканизации, обозначенная 90, незначительно увеличивалась при добавлении EMAA, но модуль упругости после вулканизации (обозначенный MH или MH-ML) в некоторой степени уменьшался.
Физические свойства композиций также представлены в таблице 2. Значения твердости исходной и обработанной композиции сравнивали весьма тщательно. Твердость исследовали согласно стандарту ASTM D2240 по шкале Шора (Shore) A. Можно видеть, что добавление EMAA незначительно увеличивало твердость, в частности, после термической обработки. Прочность на разрыв исследовали, используя пуансон C согласно стандарту ASTM D624. При добавлении EMAA наблюдалось весьма незначительное изменение прочности композиции на разрыв. Разрыв в данном исследовании обычно происходит очень быстро, таким образом, отсутствует время для осуществления восстановления после какой-либо трещины.
Свойства при растяжении, представленные в таблице 2, исследовали согласно стандарту ASTM D412, используя пуансон C. Результаты исследования при низкой степени растяжения материалов в направлении волокон (WG) и в поперечном направлении (XG) показывают, что добавление EMAA увеличивает модуль упругости композиции в направлении волокон, но производит незначительное воздействие при растяжении в поперечном направлении. Модуль упругости при растяжении приводится как напряжение при данной деформации согласно стандартам ASTM D1566 и D412. Конечные свойства (прочность и деформация) при растяжении показывают незначительное воздействие со стороны EMAA.
Динамические свойства композиций, которые представлены в таблицах 3 и 4, измеряли, используя технологический анализатор каучука (RPA), согласно стандартной процедуре ASTM D6601. Таблица 3 представляет сравнение для развертки по частоте при 100, 80 и 66°C и деформации ±6,98%, а таблица 4 представляет развертку по деформации при 66°C и частоте 1,667 Гц. Было обнаружено, что добавление EMAA производило незначительное воздействие на модуль упругости (G') композиции. Однако коэффициент затухания (tanδ) увеличивался при добавлении EMAA.
Распространение трещины по методу Де Маттиа определяли согласно стандарту ASTM D813. В данном исследовании измеряется распространение исходной трещины в ходе многочисленных циклов изгиба. Исследование осуществляли при 120°C с шагом 0,5 дюйма (1,27 см), используя проколотый образец. По результатам в таблице 2 можно видеть, что добавление EMAA значительно повышало сопротивление распространению трещин материала, особенно Nucrel® 925. В частности, добавление EMAA в относительно малых количествах значительно замедляет скорость распространения трещин в каучуке при исследовании методом Де Маттиа.
В заключение исследования согласно первому варианту осуществления оценивали иономер материал EMAA в армированной волокнами композиции EPDM для ремней. Согласно гипотезе, свойства самостоятельного восстановления EMAA обеспечивали улучшенное сопротивление распространению трещин. Было обнаружено, что добавление EMAA увеличивало у материала вязкость MV, коэффициент затухания tanδ, скорость вулканизации и модуль упругости в направлении волокон. EMMA производил незначительное воздействие на продолжительность преждевременной вулканизации, материальный динамический модуль упругости и другие физические свойства (такие как растяжение, деформация, разрыв, твердость). Добавление EMAA (особенно кислой модификации Nucrel® 925) значительно повышало у каучукового материала сопротивление распространению трещин посредством уменьшения скорости распространения трещин при исследовании по методу Де Маттиа. Фиг. 4 графически представляет процесс распространения трещины по методу Де Маттиа в зависимости от числа циклов для первого ряда примеров. Наблюдается значительное улучшение вследствие добавки EMAA сорта Nucrel® 925, в частности, когда она составляет лишь 4 масс. ч. на 100 масс. ч. каучука.
Другая теория, не предназначенная для ограничения настоящего изобретения, заключается в том, что происходит некоторое плавление термопластических кристаллических компонентов добавки EMAA в составе каучука в процессе термического исследования, такого как исследование методом Де Маттиа. Такой эффект может способствовать повышению сопротивления распространению трещин посредством размягчения композиции, или он может способствовать самостоятельному восстановлению посредством увеличения подвижности иономеров.
В примерах согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения бутиловый иономер использовали в качестве ионной полимерной добавки для введения в армированную волокнами композицию для ремней, содержащую сополимер полиэтилена, пропилена и диенового эластомера (EPDM). Метод Де Маттиа для исследования распространения трещин в каучуке использовали, чтобы наблюдать распространение трещин в материале. Кроме того, исследовали влияние бутилового иономера на статические и динамические механические свойства каучукового материала. Бутиловый иономер LanXess XLINK TP поставляла компания LanXess. Его использовали в гранулированной форме, и его плотность составляла 0,93 г/см3. Изготовление таких бутиловых иономеров описывано, например, в патенте США № 7662480B2, патенте США № 7915333 B2 и публикации патентной заявки США № 2010/0010140 A1, причем авторами всех этих документов являются Resendes и др. и их содержание включается в настоящий документ посредством данной ссылки. В настоящем документе "бутиловый иономер" означает, в общем, любой из иономерных бутиловых полимеров, описанных в перечисленных выше патентных публикациях.
«Бутилкаучук» означает сополимер изоолефина и одного или нескольких, предпочтительно сопряженных мультиолефинов в качестве сомономеров. Можно использовать изоолефины, содержащие от 4 до 16 атомов углерода, предпочтительно от 4 до 7 атомов углерода, такие как изобутен, 2-метил-1-бутен, 3-метил-1-бутен, 2-метил-2-бутен, 4-метил-1-пентен и их смеси. Можно использовать мультиолефины, содержащие от 4 до 14 атомов углерода, такие как изопрен, бутадиен, 2-метилбутадиен, 2,4-диметилбутадиен, пиперилен, 3-метил-1,3-пентадиен, 2,4-гексадиен, 2-неопентилбутадиен, 2-метил-1,5-гексадиен, 2,5-диметил-2,4-гексадиен, 2-метил-1,4-пентадиен, 2-метил-1,6-гептадиен, циклопентадиен, метилциклопентадиен, циклогексадиен, 1-винилциклогексадиен и их смеси, предпочтительно сопряженные диены. Можно также использовать другие необязательные известные мономеры, которые сополимеризуются с изоолефинами. Предпочтительные товарные бутилкаучуки (IIR) содержат в качестве основного изоолефинового компонента изобутилен (т. е. изобутен) и в небольшом количестве, составляющем обычно не более чем 2,5 мол.%, изопрен в качестве сопряженного мультиолефина. Бутиловые иономеры можно получать из бутилкаучука, содержащего вплоть до 8 мол.% сопряженного мультиолефина. Бутиловые иономеры можно получать из галогенированного бутилкаучука, такого как бромированный бутилкаучук (BIIR), осуществляя реакцию нуклеофильного замещения, в которой участвуют нуклеофилы на основе азота и/или фосфора. Подходящие нуклеофилы представляют собой триметиламин, триэтиламин, триизопропиламин, три-н-бутиламин, триметилфосфин, триэтилфосфин, триизопропилфосфин, три-н-бутилфосфин и трифенилфосфин. Как правило, чем больше содержание мультиолефина в бутиловом полимере, тем больше потенциальных центров бромирования, и, таким образом, тем больше возможность введения ионных функциональных групп. Получаемый в результате иономер на основе галогенированного бутила, имеющий высокое содержание мультиолефина, предпочтительно содержит от 0,05 до 2,0 мол.%, предпочтительнее от 0,2 до 1,0 мол.% и еще предпочтительнее от 0,5 до 0,8 мол.% иономерного компонента и от 2 до 10 мол.%, предпочтительнее от 3 до 8 мол.% и еще предпочтительнее от 4 до 7,5 мол.% мультиолефина. Считается, что ионные функциональные группы бутилового иономера, который используется в данном исследовании, составляют приблизительно 0,6 мол.% и получаются из BIIR, в котором содержание брома составляет 1,8 масс.%, посредством замещения практически всех атомов брома иономерными группами.
Таблица 5 представляет составы композиций, используемых в примерах данного ряда. Сравнительный пример 6 представляет собой армированную волокнами композицию EPDM, которая составляет подкладку для шнура поликлинового ремня и используется здесь в качестве контрольного образца. Композиции в сравнительных примерах 6 и 1 имеют одинаковый состав. Бутиловый иономер добавляли в количестве, составляющем от 5 масс. ч. на 100 масс. ч. каучука до 20 масс. ч. на 100 масс. ч. каучука в примерах 7-10 соответственно.
Таблица 6 представляет свойства композиций в примерах второго ряда. Значения MV и t5 определяли при 121°C в течение 30 минут, как в примерах первого ряда. При добавлении иономера не наблюдалось значительное изменение вязкости материала по Муни (MV1+2), но увеличивалась продолжительность преждевременной вулканизации (t5). Характеристики вулканизации исследовали, используя вискозиметр с подвижным пуансоном (MDR) при 177°C в течение 30 минут. Скорость вулканизации незначительно увеличивалась при добавлении иономера, но отвержденный модуль упругости MH незначительно уменьшался при его максимальных содержаниях иономера в примерах 9 и 10. Это явление аналогично тому, что наблюдалось для ряда иономеров EMAA.
Динамические свойства композиций сравнивали посредством измерений на приборе RPA согласно стандартной процедуре ASTM D6601. Сравнение включало развертку по частоте при 100, 80 и 66°C и деформации ±6,98% (таблица 7) и развертку по деформации при 66°C (таблица 8) при частоте 1,667 Гц. Как можно видеть из результатов в таблицах 7 и 8, добавление бутилового иономера производит незначительное воздействие на модуль упругости (G') композиции. Вследствие добавления бутилового иономера коэффициент затухания (tanδ) проявлял незначительное изменение, как правило, некоторое увеличение.
Таблица 6 представляет физические свойства разнообразных композиций. Таблица 6 представляет сравнение твердости композиций в исходном состоянии и после термической обработки. Можно видеть, что добавление бутилового иономера производит незначительное воздействие на твердость материала.
В таблице 6 также сравниваются результаты исследований при растяжении материалов в направлении волокон для исходных образцов, исследуемых при комнатной температуре и при 80°C, в исходном состоянии и после термической обработки в печи при 150°C в течение 70 часов, причем исследование осуществляли при комнатной температуре. Добавление бутилового иономера уменьшало прочность материала при растяжении, но не было обнаружено значительное воздействие на модуль упругости в области малых деформаций, составляющих менее чем 10%.
Таблица 6 представляет сравнение свойств при растяжении, прочности на разрыв и остаточной деформации при сжатии для примеров второго ряда. Остаточную деформацию при сжатии исследовали согласно методу B стандарта ASTM D395. Добавление бутилового иономера уменьшало прочность материала на разрыв. Таблица 6 представляет сравнение остаточной деформации при сжатии для материала в исходном состоянии и для материала после термической обработки при 150°C в течение 70 часов. Добавление бутилового иономера увеличивало остаточную деформацию материала при сжатии. Таблица 6 также представляет коэффициент истирания по методу Пико, исследованный согласно стандарту ASTM D2228. Добавление иономера снижало сопротивление материала к истиранию, т. е. уменьшало данный коэффициент.
Результаты исследования распространения трещины по методу Де Маттиа представлены в таблице 6 (исследования согласно стандарту ASTM D813). Исследования осуществляли при 80°C с шагом 0,5 дюйма и при 100°C с шагом 0,5 дюйма. Можно видеть, что добавление бутилового иономера улучшает сопротивление распространению трещин каучукового материала, значительно увеличивая число циклов, требуемых для увеличения ширины исходной трещины на один дюйм. Для исследований при повышенной температуре (100°C) скорость распространения трещины делили пополам для максимального содержания бутилового иономера (пример 10). Фиг. 5 и 6 графически представляют величину распространения трещины по методу Де Маттиа в зависимости от числа циклов в исследованиях при 80° и 100°C соответственно. Наблюдается резкое повышение устойчивости вследствие иономерной добавки, причем при увеличении содержания иономера это повышение увеличивается.
Наконец, таблица 6 представляет результаты исследований срока службы до разрушения, которые осуществляли согласно стандарту ASTM D4482 в сравнительном примере 6 и в примере 10. Данные исследования осуществляли при 80°C и деформации 100% (т. е. при двукратном растяжении) с предварительной нагрузкой 0,5 Н. Можно видеть, что срок службы материала до разрушения от усталости увеличивается в примере настоящего изобретения (пример 10) по сравнению с контрольным образцом, причем срок службы приблизительно удваивается при добавлении 20 масс. ч. бутилового иономера на 100 масс. ч. каучука.
В итоге исследования примеров второго ряда бутиловый иономерный материал Lanxess оценивали в армированной волокнами композиции EPDM для ремней. Считается, что эти результаты демонстрируют свойства самостоятельного восстановления при введении иономерного материала в качестве добавки в каучуковых материалах для повышения сопротивления распространению трещины. Было обнаружено, что добавление бутилового иономера производит незначительное воздействие на вязкость MV материала EPDM, динамические механические свойства и модуль упругости при малой деформации. Бутиловый иономер увеличивал остаточную деформацию материала при сжатии и уменьшал прочность материала при растяжении, прочность на разрыв и устойчивость к истиранию. Добавление иономера значительно повышало сопротивление материала распространению трещин. В случае бутилового иономера считается, что плавление термопластического материала не имеет значения, потому что иономер не является полукристаллическим, как EMAA. Согласно гипотезе, наблюдаемое самостоятельное восстановление или сопротивление распространению трещин обусловлено ионным перегруппировкам.
Возможные механизмы самостоятельного восстановления иономерных полимеров описал Stephen James Kalista (младший) в магистерской диссертации "Самостоятельное восстановление термопластических сополимеров полиэтилена и метакриловой кислоты после образования пулевого отверстия", Вирджинский политехнический институт, 01 сентября 2003 г., содержание которой включается в настоящий документ посредством данной ссылки. Однако механизмы в случае каучуковых композиций и смесей согласно настоящему изобретению могут в значительной степени отличаться от механизмов в случае чистых полимеров, которые описал Kalista. Кроме того, применение каучуковых композиций для ремней считается значительно отличающимся от применения в исследованиях пулевых отверстий в работе Kalista.
Примерные композиции, содержащие иономерные добавки, которые описаны в настоящем документе, можно использовать в динамических каучуковых изделиях, включая ремни и шланги. Основное описанное преимущество представляет собой повышенное сопротивление распространению трещины, но могут быть получены и другие преимущества в зависимости от свойств, желательных для данного приложения. Каучуковые композиции, используемые на практике согласно вариантам осуществления настоящего изобретения, могут преимущественно содержать иономерные добавки, такие как EMMA или бутиловый иономер, в количествах, составляющих вплоть до 50 масс. ч. на 100 масс. ч. каучука, или предпочтительно до 30 масс. ч. на 100 масс. ч. каучука, или до 20 масс. ч. на 100 масс. ч. каучука, или от 4 масс. ч. на 100 масс. ч. каучука, или 5 масс. ч. на 100 масс. ч. каучука, до 10 масс. ч. на 100 масс. ч. каучука, или 20 масс. ч. на 100 масс. ч. каучука. Поскольку эти иономерные материалы, как правило, представляют собой термопластические материалы (пластмассы), при их избыточно высоком содержании каучуковая композиция может становиться чрезмерно жесткой и/или приобретать термопластическую природу, что препятствует использованию в динамических каучуковых изделиях. Чрезмерно низкое содержание иономера может не обеспечивать желательный эффект повышения сопротивления распространению трещины. Предполагается, что эти преимущества приведут к увеличению срока службы продукта в динамических каучуковых изделиях, таких как ремни, по меньшей мере, в таких ситуациях, в которых наблюдается режим разрушения каучука путем растрескивания.
Далее рассмотрим фиг. 1, на которой представлено общее изображение многоручьевого поликлинового ремня 10 в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Многоручьевой поликлиновой ремень 10 составляют эластомерная ременная основа или подложка 12 и контактный шкив 14, расположенный вдоль внутренней поверхности ременной основы 12. Термин "шкив" при использовании в данном контексте означает традиционные блоки и звездочки, используемые с приводным ремнем, а также ролики и аналогичные механизмы. Конкретный контактный шкив 14 ремня на фиг. 1 присутствует в форме множества ребер, имеющих выступающие области или вершины 36, с которыми чередуется множество углубленных областей 38, расположенных между противоположно направленными сторонами. В каждом из примеров на фиг. 1-2 контактный шкив 14 составляет одно целое с ременной основой 12 и может быть изготовлен из такого же эластомерного материала (материалов), как описано ниже. Однако на фиг. 3 можно видеть, что контактный шкив 14 содержит армирующее полотно 24, которое подробно описано ниже и которое традиционно используется в структурных конфигурациях синхронных ремней, и, таким образом, оно изготовлено из иного материала, чем материал ременной основы 12 согласно данному варианту осуществления настоящего изобретения.
Растягивающаяся или несущая нагрузку кордовая секция 20, расположенная над подложкой 12, придает ремню 10 опору и прочность. В проиллюстрированной форме растягивающаяся секция содержит, по меньшей мере, один продольно растягивающийся корд 22, подробно описанный ниже, который ориентирован в продольном направлении ремня и в соответствии с разнообразными вариантами осуществления настоящего изобретения находится, по меньшей мере, частично в контакте или внедряется в клейкий каучуковый элемент 18, подробно описанный ниже. Специалист в данной области техники легко поймет, что на ряде чертежей (фиг. 1-3) клейкий каучуковый элемент 18 проиллюстрирован в преувеличенном виде для визуального отличия от других эластомерных частей ремня. Действительно, отвержденный композит часто не отличается визуально от окружающей части эластомерной основы ремня, за исключением случаев, в которых, например, волокнами армируется только одна деталь из клейкого каучукового элемента 18 и подложки 12. Клейкий каучуковый элемент 18 может, по существу, состоять из такого же материала, как эластомерная основа ремня 12.
Можно необязательно использовать армирующее полотно (не представленное на фиг. 1), и в случае клиновых ремней и многоручьевых поликлиновых ремней оно плотно прилегает к поверхности ремня, противоположной относительно контактного шкива 14, образуя верхнее покрытие или покрытие корда ремня. Это полотно может иметь любую желательную конфигурацию, такую как традиционная ткань, состоящая из основных и уточных нитей, пересекающихся под любым желательным углом, или ее могут составлять основные нити, удерживаемые вместе посредством разделенных гоночных шнуров, примером чего служит шинное кордовое полотно, или трикотажная или плетеная конфигурация, или нетканая конфигурация, или бумага, или пластмассовая плетка и т. п. Полотно может иметь фрикционное или резиновое покрытие, которое составляет такая же или иная эластомерная композиция, чем композиция эластомерной ременной основы 12. Можно использовать более чем один слой полотна. Если это желательно, полотно можно обрезать или иным образом формировать для его наклонного расположения таким образом, чтобы его нити проходили под углом к направлению перемещения ремня. На фиг. 2 представлен один вариант осуществления такого используемого армирующего полотна, на котором в преувеличенном виде проиллюстрировано покрытое каучуком шинное кордное полотно 29. Использование нетканых или бумажных материалов описывает, например, патент США № 6793599 (Patterson и др.), причем содержание этого патента по данному вопросу включается в настоящий документ посредством ссылки. Использование пластмассовой пленки описывает, например, публикация патентной заявки США № 20020187869, причем содержание этой публикации по данному вопросу включается в настоящий документ посредством ссылки.
Рассмотрим фиг. 2, на которой проиллюстрирован стандартный зубчатый поликлиновой ремень 26. Поликлиновой ремень 26 составляют эластомерная ременная основа 12, аналогичная основе, которая проиллюстрирована на фиг. 1, и растягивающаяся или несущая нагрузку секция 20 в форме одного или нескольких растягивающихся кордов 22, внедренных в необязательный клейкий каучуковый элемент 18, также аналогичная секции, которая проиллюстрирована на фиг. 1. Эластомерная ременная основа 12, клейкий каучуковый элемент 18 и несущая нагрузку секция 20 поликлинового ремня 26 могут быть изготовлены из таких же материалов, которые описаны выше по отношению к фиг. 1.
Поликлиновой ремень 26 также включает контактный шкив 14 как многоручьевой поликлиновой ремень 10 на фиг. 1. Боковые поверхности эластомерной ременной основы 12 или в случае проиллюстрированного поликлинового ремня сжимающейся секции служат как ведущие поверхности ремня 26. Согласно проиллюстрированному варианту осуществления контактный шкив 14 присутствует в форме чередующихся вырезанных углубленных поверхностей или пазов 28 и зубчатых выступов 30. Этим чередующимся углубленным поверхностям 28 и выступам 30 может предпочтительно соответствовать синусоидальная кривая, которая проиллюстрирована на чертеже и которая служит для распределения и сокращения до минимума изгибающих напряжений, когда контактный шкив 14 проходит вокруг блоков в процессе работы.
Хотя в проиллюстрированном варианте осуществления поликлиновой ремень 26 присутствует в форме ремня без обертки боковых граней, армирующее полотно 29, которое описано выше, можно также использовать в качестве верхнего покрытия или покрытия корда ремня, как представлено на чертеже, или оно может полностью обертывать ремень, образуя армированный снаружи поликлиновой ремень.
Рассмотрим фиг. 3, на которой проиллюстрирован зубчатый ремень 32. Зубчатый ремень 32 включает эластомерную ременную основу 12 и контактный шкив 14, как в случае ремней на фиг. 1 и 2, а также он включает несущую нагрузку секцию 20, которая описана выше для ремней на фиг. 1 и 2. Однако для синхронного ремня 32 контактный шкив 14 присутствует в форме чередующихся зубцов 16 и плоских частей 19. Кроме того, можно также использовать армирующее полотно 24, которое описано выше для ремней на фиг. 1 и 2, и в этом случае к нему плотно прилегают чередующиеся зубцы 16 и плоские части 19 ремня 32, и оно образует их верхнее покрытие.
В каждом из случаев, представленных выше на фиг. 1-3, ременная основа 12 может быть изготовлена из любой традиционной и/или подходящей отвержденной эластомерной композиции, причем она может быть такой же или иной, чем композиция, описанная ниже по отношению к необязательному клейкому каучуковому элементу 18. Эластомерная композиция содержит иономерную полимерную добавку, которая описана в настоящем документе в общих чертах и в связи с конкретными примерами, представленными в нем. Иономерная полимерная добавка может представлять собой сополимер полиэтилена и метакриловой кислоты или бутиловый иономер. В сополимере полиэтилена и метакриловой кислоты могут быть нейтрализованы, по меньшей мере, частично кислотные группы. Иономерная полимерная добавка может присутствовать в каучуковой композиции в концентрации, составляющей вплоть до 50 масс. ч. на 100 масс. ч. каучука. Другие отличительные особенности описаны выше.
Подходящие эластомеры, которые можно использовать для этой цели, представляют собой, например, полиуретановые эластомеры (включая также полиуретан-мочевинные эластомеры) (PU), полихлоропреновый каучук (CR), акрилонитрил-бутадиеновый каучук (NBR), гидрированный NBR (HNBR), стирол-бутадиеновый каучук (SBR), алкилированный хлорсульфонированный полиэтилен (ACSM), эпихлоргидрин, полибутадиеновый каучук (BR), натуральный каучук (NR) и эластомеры, представляющие собой сополимеры полиэтилена и альфа-олефинов, такие как сополимеры полиэтилена и пропилена (EPM), терполимеры этилена, пропилена и диена (EPDM), сополимеры полиэтилена и октена (EOM), сополимеры полиэтилена и бутена (EBM), терполимеры этилена, октена и диена (EODM) и терполимеры этилена, бутена и диена (EBDM); этиленвинилацетатные эластомеры (EVM); этиленметилакрилат (EAM) и кремнийорганический каучук или сочетание любых двух или более из перечисленных выше материалов.
Смешивание каучуковых композиций можно осуществлять, используя любые из известных способов или устройств для смешивания каучуковых композиций, в том числе закрытые резиносмесители, экструдеры, вальцы для резинового производства и т. п.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения для получения эластомерной ременной основы 12 эластомер (эластомеры) можно смешивать с традиционными ингредиентами каучуковых композиций, включая наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, вулканизационные/отверждающие добавки и ускорители, в традиционно используемых количествах. Например, когда используются эластомеры, представляющие собой сополимеры полиэтилена и альфа-олефинов, и диеновые эластомеры, такие как HNBR, можно использовать одну или несколько солей металлов и альфа-бета-органических кислот в количествах, которые в настоящее время традиционно используются, чтобы улучшать динамические характеристики получаемых в результате изделий. Таким образом, в таких композициях можно использовать диметакрилат цинка (ZDMA) и/или диакрилат цинка в количествах, составляющих от приблизительно 1 до приблизительно 50 масс. ч. на 100 масс. ч. каучука; или в качестве альтернативы от приблизительно 5 до приблизительно 30 масс. ч. на 100 масс. ч. каучука; или от приблизительно 10 до приблизительно 25 масс. ч. на 100 масс. ч. каучука. Кроме того, эти материалы придают композиции клейкость и увеличивают суммарную плотность сшивания полимера при отверждении пероксидом или подобными свободнорадикальными отверждающими веществами в процессе ионного сшивания. В примерах, описанных в настоящем документе, в качестве вспомогательного вещества используется ZDMA. Предпочтительно каучуковые композиции отверждают, используя пероксидный или другой свободнорадикальный механизм отверждения.
Специалист в данной области техники легко оценит любое число подходящих композиций для использования в составе или в качестве эластомерных частей ремня. Ряд подходящих эластомерных композиций описывает, например, "Справочник каучуков» (R. T. Vanderbilt, 13 издание, 1996 г.), и, кроме того, композиции EPM или EPDM и такие композиции, которые имеют особенно высокие значения модуля упругости при растяжении, описывают патенты США № 5610217 и № 6616558 соответственно, причем их содержание в отношении разнообразных эластомерных композиций, которые могут быть подходящими для использования в получении основы приводного ремня, определенно включается в настоящий документ посредством ссылки. В любую из этих каучуковых композиций можно добавлять иономер, чтобы улучшать сопротивление усталости при изгибе или сопротивление распространению трещины согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, в связи с применением в автомобильных приводах вспомогательных механизмов, эластомерные ременные основы 12 можно изготавливать из подходящей композиции на основе сополимера полиэтилена и альфа-олефина, такой как композиция EPM, EPDM, EBM или EOM, причем такая же или иная композиция может быть использована как композиция для клейкого каучукового элемента.
Кроме того, эластомерная ременная основа 12 может содержать прерывистые волокна, которые хорошо известны в технике, в которых могут быть использованы такие материалы, как, включая, но не ограничиваясь этим, хлопок, сложный полиэфир, стекловолокно, арамид и нейлон, в таких формах, как штапельные или рубленые волокна, очес или волокнистая масса, в обычно используемых количествах. Согласно предпочтительному варианту осуществления, что касается профилированных (например, путем резания или шлифования) многоручьевых поликлиновых ремней, такая волокнистый наполнитель предпочтительно изготавливается и размещается таким образом, что существенная часть волокон формируется и располагается, как правило, с ориентацией в поперечном направлении относительно направления перемещения ремня. Однако в формовых многоручьевых поликлиновых ремнях и/или синхронных ремнях, изготовленных непрерывным поточным способом, волокнистый наполнитель, как правило, не имеет такой степени ориентации.
В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения отвержденная композиция для использования, по меньшей мере, в частичном контакте с несущим нагрузку кордом в композитной структуре ремня согласно нескольким вариантам осуществления, которые описаны выше в отношении фиг. 1-3, может необязательно иметь соответствующие отличительные особенности и преимущества, описанные подробно в вышеупомянутом патенте США № 6616558, содержание которого включается в настоящий документ посредством ссылки.
В процессе работы ремень, как правило, проходит вокруг, по меньшей мере, одного ведущего блока и одного ведомого блока или приводной системы, с которой необязательно сочетаются натяжной блок и/или другие блоки.
Аналогичным образом на шланги, в которых используются каучуковые композиции согласно варианту осуществления настоящего изобретения, могут воздействовать повторяющиеся импульсы давления или изгиб, и, таким образом, преимущество настоящего изобретения проявляется в форме увеличения срока службы и/или уменьшения скорости распространения трещин. Шланг, как правило, включает один или несколько каучуковых слоев и один или несколько армирующих слоев. Армирующие слои могут представлять собой текстильные материалы, шнуры или провода, из которых может быть изготовлена обертка, обмотка или оплетка. Кроме того, могут присутствовать связующие слои, которые соединяют друг с другом разнообразные слои, причем связующие слои могут также представлять собой каучуковые композиции. Фиг. 7 представляет шланг 71 согласно примерному варианту осуществления, включающий внутренний трубчатый слой 72, армирующий слой 74 и внешний покровный слой 76. В любой из каучуковых композиций, используемых в шланге, может предпочтительно содержаться иономерная полимерная добавка, которая описана в настоящем документе в общих чертах, а также в связи с конкретными примерами в настоящем документе. Иономерная полимерная добавка может представлять собой сополимер полиэтилена и метакриловой кислоты или бутиловый иономер. В сополимере полиэтилена и метакриловой кислоты кислотные группы могут быть, по меньшей мере, частично нейтрализованы. Иономерная полимерная добавка может присутствовать в каучуковой композиции в концентрации, составляющей вплоть до 50 масс. ч. на 100 масс. ч. каучука. Другие отличительные особенности были описаны выше в связи с ремнями и в общих чертах.
Хотя настоящее изобретение и его преимущества были описаны подробно, следует понимать, что в настоящем описании могут быть произведены разнообразные изменения, замены и модификации без выхода за пределы объема настоящего изобретения, который определяется в прилагаемой формуле изобретения. Кроме того, не предполагается ограничение объема настоящей заявки конкретными вариантами осуществления процесса, устройства, производства, состава материала, средств, способов и стадий, которые представлены в настоящем описании. Как легко понимает обычный специалист в данной области техники из описания настоящего изобретения, согласно настоящему изобретению можно использовать процессы, устройства, производство, составы материалов, средства, способы или стадии, которые существуют в настоящее время или будут разработаны в будущем времени, и которые выполняют такие же функции или обеспечивают практически такие же результаты, как соответствующие варианты осуществления, описанные в настоящем документе. Соответственно, прилагаемая формула изобретения предназначается, чтобы включать в свой объем такие процессы, устройства, производство, составы материалов, средства, способы или стадии. Настоящее изобретение, описанное в данном документе, можно надлежащим образом осуществлять на практике при отсутствии любого элемента, который не описан конкретно в данном документе.
1. Приводной ремень, включающий эластомерную основу ремня, причем вышеупомянутая основа включает каучуковую композицию, содержащую до 20 масс. ч. иономерной полимерной добавки на 100 масс. ч. каучука.
2. Ремень по п. 1, в котором вышеупомянутая иономерная полимерная добавка содержит сополимер полиэтилена и метакриловой кислоты или бутиловый иономер.
3. Ремень по п. 1, в котором вышеупомянутая иономерная полимерная добавка содержит сополимер полиэтилена и метакриловой кислоты.
4. Ремень по п. 3, в котором кислотные группы вышеупомянутого сополимера полиэтилена и метакриловой кислоты нейтрализованы, по меньшей мере, частично.
5. Ремень по п. 1, в котором вышеупомянутая иономерная полимерная добавка содержит бутиловый иономер.
6. Динамическое каучуковое изделие, включающее эластомерную основу, причем вышеупомянутую основу составляет каучуковая композиция, содержащая до 20 масс. ч. иономерной полимерной добавки на 100 масс. ч. каучука.
7. Шланг, включающий эластомерный слой, причем вышеупомянутый слой включает каучуковую композицию, содержащую до 20 масс. ч. иономерной полимерной добавки на 100 масс. ч. каучука.
8. Способ повышения сопротивления распространению трещины в динамических изделиях, включающих каучуковую основу, которая подвергается повторному изгибу в процессе использования, включающий введение до 20 масс. ч. иономерной полимерной добавки на 100 масс. ч. каучука в каучуковую композицию, используемую для получения вышеупомянутой каучуковой основы.
9. Способ по п. 8, в котором вышеупомянутая иономерная полимерная добавка содержит сополимер полиэтилена и метакриловой кислоты или бутиловый иономер.
10. Способ по п. 9, в котором вышеупомянутая иономерная полимерная добавка содержит сополимер полиэтилена и метакриловой кислоты в концентрации, составляющей от приблизительно 4 масс. ч. на 100 масс. ч. каучука до приблизительно 8 масс. ч. на 100 масс. ч. каучука.
